Разработка стенда для проверки тахометров

где с - жесткость пружины;

На одной оси с ЧЭ укреплена стрелка, угол отклонения которой пропорционален угловой скорости вращения постоянного магнита.Угол поворота стрелки прибора определяется равенством моментов вращения и противодействия.

На воздушных судах эксплуатируются магнитоиндукционные тахометры (измерители частоты вращения) типа ТЭ (тахометр электрический), шкала которых отградуирована в оборотах в минуту, и типа ИТЭ (индукционный тахометр электрический) со шкалой, отградуированной в относительных единицах - в процентах (от 0 до 105%) от максимальной частоты вращения.

Тахометр ИТЭ-1 предназначен для измерения частоты вращения (в процентах) ротора компрессора высокого давления авиадвигателя, а тахометр ИТЭ-2 - для измерения частоты вращения ротора компрессора высокого давления (стрелка с индексом «1») и частоты вращения ротора компрессора низкого давления (стрелка с индексом «2») авиадвигателя.

Габаритные размеры и градуировка шкал унифицированных одинарного (однострелочного типа ИТЭ-1) и сдвоенного (двухстрелочного типа ИТЭ-2) указателей (измерителей) магнитоиндукционного тахометра приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Габаритные размеры и градуировка шкал унифицированных одинарного и сдвоенного указателей тахометров

В комплекты тахометров этого типа могут входить один - два датчика и один показывающий прибор, либо один датчик и один - два указателя. В частности, комплект тахометра может состоять из одного датчика ДТЭ-1 и одного показывающего прибора ИТЭ-1. Соответственно датчик ДТЭ-2, Д-3М или Д-3-2 должен работать в системе измерения оборотов совместно с двумя измерителями типа ИТЭ-1 (ИТЭ-1Т) или с показывающим прибором ИТЭ-2 (ИТЭ-2Т), объединяющим в одном корпусе две измерительные системы. Конструкции датчика Д-3-2 и измерителя типа ИТЭ-1 представлены на рисунке 4 и 6.

Совместное рассмотрение рисунков 4 и 6 позволяет изучить конструкцию показывающего прибора комплекта магнитоиндукционного тахометра типа ИТЭ.

Показывающий прибор включает в себя два узла, смонтированные в одном корпусе, синхронный двигатель и измерительную систему (тахометр).

В качестве направляющих была выбрана шариковая винтовая передача, на которой платформа будет перемещаться по вертикальной оси, обеспечивая соосность валов электродвигателя и проверяемого датчика.

Шариковая винтовая передача (ШВП) -- наиболее распространенная разновидность передачи винт-гайка качения (винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами). Функционально ШВП служит для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот).

ШВП обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.

Рисунок 7 - Шариковая винтовая передача

При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте свой виток, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются в исходное положение на тот же или на соседний (в зависимости от конструкции) виток. Для передач с многозаходной резьбой применяется особый тип исполнения гайки.

Основные достоинства шарико-винтовой передачи:

- малые потери на трение;

- высокая нагрузочная способность при малых габаритах;

- размерное поступательное перемещение с высокой точностью;

- высокое быстродействие;

- плавный и бесшумный ход.

В зависимости от назначения и условий работы ШВП подразделяются на передачи с зазором и передачи с натягом. В первых передачах осевой зазор всегда выбирается в одну сторону под действием осевой силы (силы тяжести, силы сопротивления перемещаемого узла и пр.). Во вторых -- зазор устраняется при сборке путем предварительного нагружения элементов передачи силой, обеспечивающей необходимую осевую жесткость.

С целью устранения осевого зазора в паре винт-гайка и повышения жесткости и точности перемещения ШВП собирают с предварительным натягом. Преднатяг усредняет периодические ошибки шага винта и стабилизирует положение оси гайки относительно оси винта. В зависимости от конструкции преднатяг обеспечивается либо подбором шариков большего диаметра (для профиля типа «стрельчатая арка»), либо установкой двух гаек в одном корпусе с последующим относительным осевым смещением. Конструкция с двумя гайками обеспечивает возможность регулирования натяга.

Под действием переменных контактных напряжений в ШВП происходит старение и усталостное повреждение рабочих поверхностей, приводящее со временем к появлению раковин, отслаиванию и выкрашиванию. Вследствие местных пластических деформаций (возникающих под действием ударных или закритичных статических нагрузок) может происходить смятие поверхностных дорожек. Из-за повышенного скольжения в контакте шариков с поверхностями винта и гайки или под действием посторонних частиц (пыли) может усилиться изнашивание.

Для предупреждения преждевременного усталостного выкрашивания, пластического деформирования и изнашивания, влияющих на точность, скорость перемещения и другие характеристики ШВП, применяется комплекс защитных мер, в том числе смазка и защита винта и подвижных элементов от пыли, влаги и механических частиц. Одной из наиболее эффективных мер служит специальная физико-химическая обработка компонентов ШВП, обеспечивающая увеличение твердости поверхностного слоя и сохранение точностных характеристик (азотирование, обработка токами СВЧ и пр.).

По способу производства ШВП делятся на 2 группы: катаные (получают методом проката) и шлифованные (получают методом многоступенчатого шлифования). Шлифованные ШВП имеют на порядок более высокую точность, при этом и цена их существенно выше.

Шарико-винтовые передачи применяют в исполнительных механизмах, в следящих системах и в ответственных силовых передачах (станкостроение, робототехника, авиационная и космическая техника, атомная энергетика и др.). Благодаря компактным размерам и простоте конструкции ШВП могут быть легко интегрированы в различные машины и механизмы, в том числе с гидравлическим и пневмоприводом.

Одно из самых перспективных сегодня направлений использования ШВП в машиностроении -- создание и использование на их основе готовых мехатронных узлов перемещения (линейных модулей). Такие узлы, или модули могут включать в свой состав, помимо ШВП, алюминиевый или стальной профиль (в качестве внутренней несущей рамы или несущего корпуса), приводной электродвигатель, контрольно-измерительные приборы и элементы управления.

- полностью автоматизировать процесс и регулировать его параметры.

Асинхронный двигатель в своей конструкции обязательно имеет две самые важные части: ротор и статор. Эти части разделены небольшим воздушным зазором. Активными частями двигателя также можно называть обмотки и магнитопровод. Конструктивные части обеспечивают охлаждение, вращение ротора, прочность и жесткость.

Рисунок 8 - Асинхронный двигатель в разрезе

Переходим непосредственно к выбору двигателя.

Двигатель выбирают:

- по номинальной мощности;

- по частоте вращения;

- по условиям окружающей среды;

- по точности установочных и присоединительных размеров;

- по способу монтажа;

- по допустимой частоте пуска;

- по способу защиты;

- по уровню шума;

- по допустимым нагрузкам на подшипник;

- по основным техническим параметрам.

Мы будем выбирать двигатель по основным техническим параметрам.

Основные технические параметры электротехнического устройства позволяют не только выбрать то или иное устройство потенциально пригодное для использования в данном схемотехническом решении, но и сравнить его с подобными изделиями (с аналогами) с целью выбора лучшего из них по технико-экономическим критериям. Выбор по этим параметрам значительно сужает область поиска, что позволяет более направлено выбирать конечный продукт.

Безусловно, есть другая группа параметров (дополнительных параметров), которая важна для изделия, но отсутствует в основных параметрах поиска. По ним можно выбирать, используя каталожно-справочную информацию. Таким образом, если сформулировать задачу поиска и выбора изделий, то, условно, ее можно разбить на три этапа.

1-й этап: поиск изделия по основным техническим параметрам;

2-й этап: поиск изделия по дополнительным (информационным) техническим параметрам;

3-й этап: поиск изделия по технико-экономическим параметрам (по показателям качества).

Рассмотрим поиск изделия (асинхронного двигателя АД) по основным техническим параметрам, к которым относятся:

- назначение АД - для привода рабочего механизма в установке для проверки авиационных тахометров в качестве замены обычных асинхронных двигателей;

- высота оси вращения (габарит) АД, мм - 40-70мм;

- номинальная мощность АД, кВт - 0.1-0.5 кВт.

Рисунок 9 - Габаритно-установочные размеры двигателя АДЧР56В4

Рисунок 10 - Двигатель АДЧР56В4 модификации «О»

Пример обозначения двигателей модификации «О» при их заказе и в документации других изделий производства объединения АЛЕКСПРИВОД - Владимир: АДЧР315МА6У3-IM1001-1-О-C-0-0-024-H, 380 В/660 В, 50 Гц.

Расшифровка обозначения:

Электрическое подключение двигателя осуществляется по схеме, указанной на рисунке 12.

Рисунок 12 - Схема силового подключения двигателя

Подключение энкодера производится через разъем, расположенный на кожухе электродвигателя. Назначение контактов на разъеме для подключения ДОС представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Назначение контактов на разъеме для подключения ДОС

Для управления скоростью вращения электродвигателя был выбран частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод (ЧУП)) -- система управления частотой вращения ротора асинхронного (или синхронного) электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя.

С помощью преобразователей частоты успешно выполняется регулировка пусковых токов, с возможностью контроля и ограничения их величины до нужных значений. Для правильного использования данной аппаратуры необходимо знать принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя. Электронное управление, кроме мягкого пуска, обеспечивает плавную регулировку работы привода в соответствии с установленным соотношением между частотой и напряжением.

Преимущества применения ЧРП:

- высокая точность регулирования;

- широкий диапазон регулирования асинхронного двигателя;

- экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы эл. двигателя с неполной нагрузкой);

- равный максимальному пусковой момент;

- возможность удалённой диагностики привода по промышленной сети;

- распознавание выпадения фазы для входной и выходной цепей;

- учёт моточасов;

- повышенный ресурс оборудования;

- плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ;

- подхват вращающегося электродвигателя;

- стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки;

- значительное снижение акустического шума электродвигателя, (при использовании функции «Мягкая ШИМ»);

- дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения эл. двигателя;

- позволяют заменить собой автоматический выключатель.

Частотный преобразователь - это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (чаще с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты, амплитуды и формы. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы IGBT или MOSFET обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Схему преобразователя частоты можно увидеть на рисунке 15.

Рисунок 15 - Электрическая структурная схема преобразователя частоты

За возможность изменять частоту напряжения отвечает микропроцессор, который встроен в частотный преобразователь. Используя заданную программу, процессор следит за выходной частотой напряжения, а также за параметрами работы электрического двигателя. По сути, частотные преобразователи для асинхронных двигателей принцип работы которых заключён в простом вырабатывании нужной частоты переменного тока, это модуляторы нужной природы напряжения, которая необходима для того или иного оборудования.

Важно обратить внимание, что при наличии линии трёхфазного напряжения, не всегда рационально подключать электрический двигатель к сети просто через выключатель. В таком случае, двигатель будет работать, но регулировать его работу не получится. Не получится и следить за состоянием обмоток.

В промышленном исполнении можно встретить два основных типа частотных преобразователей:

- специальные;

- универсальные.

Специальный частотный преобразователь для асинхронного двигателя, схема которого несколько отличается от универсального, изготавливается под конкретное оборудование по конкретным потребностям. Как правило, это очень урезанные версии, не способные на работу с любым оборудованием.

Универсальные частотные инверторы могут работать, как и в специальном оборудовании, так и во всех остальных вариантах применения. На то они и универсальные, что их можно настраивать и программировать под любые нужды.

Практически во всех частотных преобразователях сегодня реализована возможность установки и контроля режима работы электрического двигателя с пульта управления. Первый интерфейс управления встроен в сам корпус частотного преобразователя. Там же есть и ручка регулирования скорости вращения двигателя.

Но можно и применять выносные пульты управления. Которые можно располагать как в диспетчерской, так и непосредственно на станке, который приводится в движение электрическим двигателем.

Такое чаще встречается в ситуациях, когда станок с двигателем находится в помещении, где не рекомендуется установка частотного инвертора. И его устанавливают вдали от оборудования.

Большая часть инвертеров частоты позволяют программировать работу оборудования. Но, задать программу просто с пульта управления не получится. Для этого используется интерфейс передачи данных и настройки, который, при помощи компьютера позволяет задать нужную программу работы.

Эффективное и качественное управление асинхронными электродвигателями стало возможно за счет использования совместно с ними частотных преобразователей. Общая конструкция представляет собой частотно-регулируемый привод, который позволил существенно улучшить технические характеристики машин и механизмов.

Для регулирования асинхронных, в том числе и линейных, средней и малой мощности целесообразно использовать преобразователь частоты широтно-импульсной модуляции. Такие преобразователи обеспечивают линейным электроприводам повышенную управляемость, быстродействие и точность позиционирования благодаря возможности получения практически любых требуемых соотношений частоты и амплитуды питания.

Наряду с преимуществами преобразователи частоты широтно-импульсной модуляции обладают рядом недостатков: напряжение на его выходе существенно отличается от синусоидального, получаемого при питании линейным асинхронным двигателем от обычной сети переменного тока частотой 50 Гц. Это обстоятельство требует учета наличия высших гармоник в кривой напряжения, подводимого от преобразователя частоты к двигателю. К последствиям несинусоидального питания следует отнести колебания электромагнитной силы линейного асинхронного двигателя, увеличение вихревых токов и механические резонансы в килогерцовом диапазоне, которые ведут к усилению шума и вибрации.

Колебания момента и акустический шум могут быть уменьшены за счёт увеличения частоты коммутации вентилей. Применение в преобразователях частоты современных IGBT-транзисторов позволяет увеличить частоту коммутации до 20…50 кГц.

Получение трёхфазного напряжения от преобразователя частоты с звеном постоянного тока требует переключения транзисторов в последовательности, указанной в таблице 3. При этом полупериоду выходного напряжения могут соответствовать один или множество прямоугольных, точнее, трапецеидальных импульсов, имеющих амплитуды Ud. В преобразователе частоты трапецеидальные импульсы образуются с частотой коммутации и в последовательности, обеспечивающей на выходе преобразователя частоты близкое к синусоидальному трехфазное напряжение. При частоте напряжения на выходе преобразователя fper=5…500 Гц частота коммутации fк находится в пределах fk=2…20 кГц. Чем выше частота fk, тем ближе к синусоидальному выходное напряжение.

Рисунок 16 - Прямоугольные импульсы (полуволны) выходного напряжения при fk=fper

Перенапряжения возникают из-за крутых фронтов изменения напряжения на выходе преобразователя частоты.

Высокая частота fк коммутации ведет к тому, что перенапряжения практически непрерывно воздействуют на межвитковую изоляцию, вызывая частичные разряды и разрушая её.

Рисунок 17 - Широтно-импульсная модуляция в преобразователе частоты

Таблица 3 - Последовательность переключения транзисторов

Управление асинхронными двигателями осуществляется двумя способами: скалярным и векторным.

Скалярное управление действует в соответствии с линейным законом, согласно которому амплитуда и частота находятся в пропорциональной зависимости между собой. Изменяющаяся частота приводит к изменениям амплитуды поступающего напряжения, оказывая влияние на уровень крутящего момента, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности агрегата. Следует учитывать зависимость выходной частоты и питающего напряжения от момента нагрузки на валу двигателя. Для того чтобы момент нагрузки был всегда равномерным, отношение амплитуды напряжения к выходной частоте должно быть постоянным. Данное равновесие как раз и поддерживается частотным преобразователем.

Векторное управление удерживает момент нагрузки в постоянном виде во всем диапазоне частотных регулировок. Повышается точность управления, электропривод более гибко реагирует на изменяющуюся выходную нагрузку. В результате, момент вращения двигателя находится под непосредственным управлением преобразователя. Нужно учитывать, что момент вращения образуется в зависимости от тока статора, а точнее - от создаваемого им магнитного поля. Под векторным управлением фаза статорного тока изменяется. Эта фаза и есть вектор тока осуществляющий непосредственное управление моментом вращения.

С непосредственной связью.

Наиболее широкое применение в современных частотно-регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Изменение частоты напряжения питания приводит к изменению угловой скорости магнитного поля статора. Когда частота уменьшается, скорость вращения двигателя снижается, а скольжение увеличивается. Принцип действия частотного преобразователя привода Главным недостатком асинхронных двигателей является сложность регулирования скорости традиционными способами: изменением напряжения питания и введением в цепь обмоток дополнительных сопротивлений. Более совершенным является частотный привод электродвигателя. До недавнего времени преобразователи стоили дорого, но появление IGBT-транзисторов и микропроцессорных управляющих систем позволило зарубежным производителям создать доступные по стоимости устройства. Наиболее совершенными сейчас являются статические преобразователи частоты.

Производители делают упор на стоимость преобразователя. Поэтому многие опции доступны только у дорогих моделей. При выборе устройства следует определиться с основными требованиями для конкретного использования:

- управление может быть векторным или скалярным. Первое даёт возможность точной регулировки. Второе лишь поддерживает одно, заданное соотношение между частотой и напряжением на выходе и подходит только для простых приборов;

- чем выше указанная мощность, тем универсальнее будет устройство - обеспечится взаимозаменяемость и упростится обслуживание оборудования;

- диапазон напряжения сети должен быть максимально широким, что обезопасит при перепадах его норм. Понижение не так опасно для устройства, как повышение. При последнем -- вполне могут взорваться сетевые конденсаторы;

- частота должна полностью соответствовать потребностям производства. Нижний предел указывает на диапазон регулирования скорости привода. Если нужен более широкий, потребуется векторное управление. На практике применяются частоты от 10 до 60 Гц, реже до 100Гц;

- управление осуществляется через различные входы и выходы. Чем их больше, тем лучше. Но большее количество разъёмов существенно увеличивает стоимость устройства и усложняет его настройку.

- номинальная частота до400Гц;

- источник питания 380-460В;

- частотное и векторное управление;

а) осевое; б) радиальное; в) угловое - перекос осей валов; г) различные комбинации этих смещений

Достижение строгой соосности валов связано со значительной трудоемкостью и не всегда оправдано, а в отдельных случаях и трудно осуществимо. Несовпадение осей валов обуславливается в каждом отдельном случае назначаемыми в зависимости от характера работы машин отклонениями на изготовление деталей и сборку узлов. Далее любая точность, достигнутая при сборке, в процессе работы может быть нарушена вследствие вибраций и деформаций валов и основания под нагрузкой, осадки фундамента, изменения температуры и других причин. Соединение таких валов глухими муфтами неизбежно приводит к возникновению значительных дополнительных нагрузок на валы и опоры, ухудшению работы соединения, вплоть до выхода его из строя. На рисунке 18 утрированно показано соединение смещенных валов компенсирующей муфтой. Компенсирующие муфты значительно уменьшают дополнительные нагрузки на валы и опоры. Чем меньше дополнительные нагрузки, тем надежнее работа муфты и соединяемых узлов. По этому признаку должно сравнительно оцениваться преимущество той или иной конструкции муфты. Применение компенсирующих муфт не освобождает от точного изготовления деталей и тщательной сборки узлов. Муфты, имеющие широкое распространение стандартизированы. Основными характеристиками муфты являются момент, на передачу которого муфта рассчитана, и диаметры соединяемых валов.

- способность смягчать толчки и удары. Кинетическая энергия удара при этом частично поглощается и переходит в тепло, частично аккумулируется упругими элементами, превращаясь в потенциальную энергию деформации.

Основной характеристикой упругих муфт, в связи с их назначением - передавать вращательное движение, является вращающий момент.

Существенными показателями конструкций муфт являются габариты, масса и момент инерции относительно оси вращения. Кроме того, упругие муфты характеризуются податливостью и демпфирующей способностью. Упругие муфты бывают постоянной и переменной жесткости, то есть имеют линейную и нелинейную характеристику - зависимость величины момента от угла закручивания. Под демпфирующей способностью муфты понимают ее способность рассеивать (превращать в тепло) энергию при деформировании. Существуют большое количество упругих муфт различных конструкций. В зависимости от материала упругих элементов муфты делят на две группы:

- муфты с неметаллическими упругими элементами;

Муфты упругие втулочно-пальцевые (МУВП) получили широкое распространение благодаря относительной простоте конструкции и удобству замены упругих элементов. Однако их характеризует невысокая компенсирующая способность, а при соединении несоосных валов - достаточно большое силовое воздействие на валы и опоры, при этом резиновые втулки быстро разрушаются. МУВП также способна амортизировать толчки и удары, демпфировать небольшие колебания и предупреждать резонанс.

МУВП стандартизированы по ГОСТ 21425 - 93 для валов диаметром от 10 до 160 мм и вращающих моментов до 16000 Н•м. Упругие свойства муфты обеспечиваются за счет втулок, способных деформироваться под действием передаваемого вращающего момента Т. Так как муфты данного типа обладают большой радиальной и угловой жесткостью, их применение целесообразно при установке соединяемых узлов на плитах (рамах) большой жесткости. Кроме того, сборку узлов необходимо производить с повышенной точностью и с применением подкладок. Муфта представлена на рисунке 19. Во фланце полумуфты 1 коническими хвостовиками закреплены пальцы 2, на которые надеты резиновые втулки 3. Втулки входят в отверстия, расположенные во фланце полумуфты 4. Отверстия под вал в ступицах полумуфт растачиваются цилиндрическими или коническими (всего предусмотрено четыре исполнения на разные длины концов валов).